CC BY
394
УДК 628.49
БИОТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ОТХОДОВ АПК
И.А. ГАНИЕВА, кандидат экономических наук, проректор по научной работе
М.Г. КУРБАНОВА, кандидат технических наук, зав. кафедрой
О.В. САВИНА, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. кафедрой
Кемеровский ГСХИ E-mail: kurbanova-mg@mail.ru
Резюме. На сегодняшний день в мире используют или разрабатывают около 60 разновидностей биогазовых технологий, которые отличаются по составу и подготовке сырья, условиям и технологическим параметрам метаногенеза, конструкциям биогазовых установок и др. В странах Европы использование биогазовых комплексов нашло широкое применение, прежде всего как один из способов решения экологических проблем, связанных с утилизацией отходов агропромышленного комплекса, а также получения дополнительных видов энергии и органических удобрений. В Европе лидирующее положение по производству биогаза занимает Германия.
Ключевые слова: биогаз, биогазовые установки, отходы, минеральные удобрения, электроэнергия.
Из нетрадиционных источников энергоресурсов значительный интерес во всем мире вызывает биогаз. В основе технологий по его производству лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием бактерий.
По данным NOMURA International (НК) Limited в июле 2010 г установленная электрическая мощность, получаемая от переработки органических отходов, составляла 52 ГВт или 1,05 % от всего ее производства в мире [1, 2].
На сегодняшний день разработано и применяется около 60 разновидностей технологий получения биогаза при различных температурных условиях, влажности, концентрации бактериальной массы, длительности биореакции. Практически во всех странах Западной Европы созданы национальные программы по получению и использованию биогаза. Серьезным фактором, который повлиял на развитие этого процесса в Европе, стал рост цен на импортируемые энергоносители, связанные с ними политические риски и поддержка биогазовой энергетики, которая заключается в обязательстве государства выкупать электроэнергию по «зеленому» тарифу.
Цель нашей работы - определить на основе изучения мирового опыта возможность и целесообразность производства возобновляемых энергоносителей из отходов агропромышленного комплекса для дальнейшей оптимизации технологических режимов производства биогаза в российских регионах с холодным климатом.
Результаты и обсуждение. Лидирующее положение по производству биогаза в Европе сегодня занимает Германия (более половины всех установок). По данным Немецкой биогазовой ассоциации в 2007 г число действующих биогазовых установок приблизилось к 4 тыс. шт., а к 2020 г должно достигнуть 20 тыс. шт. [3].
В перспективе при оптимальном использовании биогаза в Германии электроэнергией, вырабатываемой на основе этого вида топлива, можно будет снабжать 12 млн домашних хозяйств. Уже сейчас производимых из
биогаза электроэнергии и тепла достаточно приблизительно для 500 тыс. частных домов и квартир. Поскольку немецкий федеральный закон о возобновляемых видах энергии создает благоприятные предпосылки для использования биомассы, выгодным для производства биогаза оказалось возделывание так называемых «энергетических» растений, (кукуруза, рожь и др.). Стоимость 1 кВт^ч электроэнергии из биогаза достаточно высока - 6...8 евроцентов. Однако этот недостаток компенсируется дотациями [3, 4, 6].
Ежегодно в ЕС объемы производства биогаза увеличиваются не менее чем на 20 %. В 2007 г. оно достигло 5,9 млн т эквивалента углекислого газа. При этом ведущий источник сырья - мусорные свалки (49,2 %), затем специально выращенные сельскохозяйственные культуры (35,8 %), далее органическая масса очистных сооружений (порядка 15 %) [1, 3].
С развитием крупных промышленных животноводческих комплексов и птицефабрик все острее встают проблемы охраны окружающей среды, ряд из которых позволяет решать строительство биогазовых комплексов.
Так, в процессе разложения органических отходов в атмосферу выделяется метан. В глобальном масштабе его доля составляет примерно 4 % всех антропогенных выбросов этого газа, из них около около 40 % приходится на свиноводство и столько же - на мясное и молочное скотоводство [3, 4].
Анаэробная переработка органических отходов с утилизацией вырабатываемого биогаза позволяет значительно сократить выбросы парниковых газов в атмосферу, что попадает под действие экономических механизмов Киотского протокола и позволяет поддерживать биогазовые проекты [1].
В навозных стоках содержатся бактерии группы сальмонелл, кишечной палочки, яйца гельминтов, аскарид, власоглавов, цисты балантидий и много других патогенов. Для их нейтрализации требуется 1200-кратное разведение чистой водой. Однако и это не полностью обеспечивает защиту водоемов, почвы, подземных вод от загрязнения, поскольку на животноводческой ферме на 1000 гол. крупного рогатого скота в течение года формируется почти 3 тыс. т твердых и 70 тыс. т жидких отходов. Использование биогазовых технологий позволяет решить эту проблему [1, 3].
При мезафильном режиме работы биогазового комплекса температура внутри утилизируемой биомассы достигает 40 оС, при термофильном - 55 оС. Патогенная микрофлора в таких условиях погибает практически полностью. Поэтому при внесении навоза, прошедшего обработку в ферментере, на пастбища и поля, предназначенных под кормовые культуры, снижается риск заболевания животных [1, 7, 8, 9].
После выделения биогаза остается так называемый шлам, который может служить ценным органическим удобрением, обеспечивающим повышение урожайности, по сравнению с навозом, на 35.40 % [1, 7, 8]. Это дает возможность резко сократить использование минеральных удобрений. Кроме того, в ферментере погибают семена сорных растений, которые в изобилии содержатся в навозе. Поэтому потребность в
Рис. 1. Устройство биогазового комплекса
гербицидах (пестицидах) так же снижается. В результате производимая продукция становится более экологически безопасной.
Переработка отходов в биогаз дает возможность значительно сократить санитарно-защитную зону вокруг объектов агропромышленного комплекса. На сегодняшний день рекомендуемый радиус для птицефабрики на 400.500 тыс. кур равен 2,5 км, для комплекса КРС на 10 тыс. голов - 3 км, для свинокомплекса на 108 тыс. гол. - 10.15 км и более, для биогазовой станции - 300 м.
Принципиальная схема получения биогаза заключается в следующем. Жидкие биоотходы перекачивают в специальный резервуар по трубопроводу (рис. 1). Там происходит их гомогенизация и подогрев (иногда охлаждение) до необходимой температуры. Обычно загрузка такого резервуара занимает 2.3 дня. Твердые отходы (например, навоз, помет) доставляют по транспортерной ленте или трактором и сгружают либо в гомогенизатор, где перемешивают с жидкими отходами, либо в специальный шнековый загрузчик.
Из резервуара для гомогенизации и загрузчика твердых отходов биомасса (навоз, помет, барда и др.) поступает в реактор (биореактор, метантенк, фементатор), внутри которого поддерживается фиксированная температура, благоприятная для микроорганизмов [2, 3, 6].
Биореактор - основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляют достаточно жесткие требования. Корпус биореактора должен быть достаточно прочен, стенки абсолютно герметичны. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и надежная устойчивость к коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания [3].
Сбраживание отходов выполняют микроорганизмы, которые вносят в биореактор один раз при первом запуске. Осуществляют эту операцию путем введения концентрата микроорганизмов, добавления свежего навоза или биомассы из другого действующего реактора. Обычно используют два последних способа как наиболее экономичные.
Используемые микроорганизмы обитают в кишечнике животных и не наноносят вреда человеку или животным. Поэтому, а также с учетом того, что реакторы
- это герметичные системы, биогазовые установки можно располагать в непосредственной близости от фермы или производства.
В биореакторе поддерживается постоянная температура, необходимая для активной деятельности бактерий (от 30 до 55 °С). Чаще всего она находится на уровне 30.41 °С, благоприятном для мезофильных микроорганизмов, в отдельных случаях используют реакторы с термофильным режимом (около 55 °С).
Внутри реактора биомассу перемешивают несколькими способами, которые выбирают в зависимости от типа и влажности сырья, а также других параметров. Перемешивание проводят наклонными миксерами, миксерами типа «падл-гигант», погружными мешалками. Материал для изготовления всех перечисленных устройств - нержавеющая сталь. В отдельных случаях перемешивание осуществляется гидравлическим способом.
Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) составляет для отходов животноводства (навоза, помета и др.) 20.40 дней, для отходов растениеводства (кукурузного силоса, ботвы томатов, шелуха кофейных зерен и др.)
- 70.160 дней. Кроме того, продолжительность этого периода определяется объемом метантенка.
Реактор подогревают водой, температура которой на входе составляет 60 °С,на выходе - около 40 °С. Система подогрева - это сеть трубок, находящихся внутри стенки реактора либо на ее внутренней поверхности.
Если в состав биогазового комплекса входит ко-генерационная установка (теплоэлектрогенератор), то для подогрева реактора используют воду от ее охлаждения. Вода выходит из охладительной системы генератора, нагретой до 90 °С, поэтому ее предварительно смешивают с водой температурой 40 °С.
На выходе из реактора образуются два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).
Биогаз направляют на хранение в газгольдер, где выравниваются его давление и состав.
Газгольдер - это высокопрочная растягивающаяся мембрана, материал которой устойчив к солнечному свету, осадкам и испарениям из реактора. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху, а над ним монтируется дополнительное тентовое покрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания необходимого давления
рис. 2. Биогазовая установка на сельскохозяйственной ферме в окрестностях Гамбурга: а) биореактор для сбраживания отходов АПК; б) когенерационный блок, где происходит преобразование биогаза в энергию.
и теплоизоляции. Из газгольдера биогаз непрерывно подается в теплоэлектрогенератор, который производит тепло и электроэнергию. Из 1 м3 биогаза можно получить до 2 кВт0 электрической и 2 кВт0 тепловой энергии. Крупные биогазовые установки оснащены аварийными факельными устройствами на случай, когда генераторы не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и др.
Всем процессом управляет система автоматики. Она контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора [5, 8].
Переброженная масса - это готовое к использованию биоудобрение. Жидкую фракцию, богатую аммиаком (NH4), отделяют от твердой с помощью сепаратора и сохраняют в соответствующем резервуаре [1].
Крупнейшая в Европе установка по производству биогаза, которая будет ежегодно вырабатывать из 85 тыс. т растительного сырья 16 млн м3 экологически чистого энергоносителя запущена в Швандорфе (Бавария, Германия) [3, 5, 8]. Ее продукция поступает в газовую сеть энергетического гиганта E.ON Climate & Renewables в виде биогаза, доведенного до уровня природного газа. По прогнозам экспертов концерна, к 2030 г этот биогаз будет покрывать около 10 % потребности
Германии, что равноценно потреблению примерно в 5 млн домашних хозяйств.
В штате Онтарио (Канада) вопросами производства биогаза занимаются с 2003 г Предпосылкой для этого стали в основном проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. Здесь в качестве основного сырья для получения биогаза используют биомассу, состоящую на 75 % из навоза и на 25 % из пищевых отходов (из ресторанов, просроченные продукты из магазинов, собачий корм и др.).
Средний состав биогаза, получаемого в фермерских хозяйствах Германии и Канады, соответствует следующим параметрам: СН4 - 58. 64 %, С02 - 33.30 %, 02 - 0,9...0,7 %, Н^ - 8,1.5,3 %.
выводы. Таким образом, биотехнология получения биогаза и сопутствующих продуктов перспективна прежде всего с экологической точки зрения. Это на сегодняшний день особенно актуально для Российской Федерации, где отходы сельского хозяйства практически не утилизируют, а по большей части складируют вблизи животноводческих ферм, загрязняя почву, грунтовые воды и воздух. В связи с этим, учитывая опыт фермерских хозяйств Германии и Канады, необходимо определить параметры и разработать технологию производства биогаза с высоким выходом метана для фермерских хозяйств в российских регионах с холодным климатом.
Литература.
1. Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе /сборникдокладов третьей Международной научно-практической конференции. - Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет, 2010. - 145 с.
2. Anthony C. The biochemistry of methylotrophs. - N.Y., 1982. - 431 p.
3. Anaerobic batch digestion of sheep tallow// M.J. Broughton, J.H. Ghiele, E.J. Birch et al. / Water Res. - 1998. - V.32, №5. - P. 1423-1428.
4. Bacterial biogas production in coastal systems affected by freshwater inputs / D. Marty, P. Bonin, V. Michotey et al. // Cont. Shelf. Res. - 2001. - V.21, №18-19. - P. 2105-2115.
5. Bari S. Effect of carbon dioxide on the performance of biogas/diesel duel-fuel engine // Renewable Energy. - 1996. - V.9. - №1-4. - P. 1045-1048.
6. Barker H.A. Biological formation of methane // Bacterial fermentations. - 1956. - P. 1-95.
7. Bacterial biogas production in coastal systems affected by freshwater inputs / D. Marty, P. Bonin, V. Michotey et al. // Cont. Shelf. Res. - 2001. - V.21. - №18-19. - P. 2105-2115.
8. Daniels L. Biological methanogenesis: physiological and practical aspects // Trends Biotechnol. - 1984. - V.2. - №4. - P. 91-98.
CANADIAN AND GERMAN EXPERIENCE TO GET RENEWABLE ENERGY FROM AGRICULTURAL WASTES
I.A. Ganieva, M.G. Kurbanova, O.V. Savina
Summary. Nowdays in the world about 60 sorts of biogas technologies are using or developing, they differ in composition and preparation of raw materials, conditions and technological parameters of the flow of methane, designs of biogas plants and other parameters. In Europe, the use of biogas systems is widely used, primarily as a means of solving environmental problems associated with disposal of waste agro-industrial complex, and more kinds of energy (light, heat) and organic fertilizers. Currently, in Europe a leading position in production of biogas is taking by Germany.
Key words: biogas, biogas plants, waste, mineral fertilizers, electricity.
